Ahead of the curve:En optisk fibersensor til måling af afvigelser i rygsøjlen

Rygraden eller rygsøjlen (eller rygsøjlen) kan opdeles i fire hovedkurver. Formerne på disse kurver gør det muligt for vores kroppe at fordele vægten korrekt i forskellige positioner og forhold, såsom når man sidder eller bøjer sig ned. Visse rygsøjlemisdannelser kan dog få disse kurver til at afvige betydeligt, hvilket kan føre til kroniske smerter eller alvorlige handicap.

Som et resultat er læger nødt til korrekt at måle krumningen af ​​disse rygradskurver for at diagnosticere potentielt skadelige tilstande på et tidligt tidspunkt. Den traditionelle måde at gøre dette på er at tage røntgenbilleder af patientens rygsøjle og beregne krumningen af ​​hvert afsnit, enten manuelt eller ved hjælp af et billedanalysesoftware. Desværre har denne tilgang nogle ulemper:den er tidskrævende og tilbøjelig til både menneskelige og maskinelle fejl. Desuden er røntgenstråling skadelig for vores kroppe, så det er bedst at holde røntgenundersøgelser på et minimum.

Ved at tage dette problem til efterretning, har forskere dykket ned i forskellige typer systemer og sensorer til at måle rygsøjlens krumning. Disse alternative teknikker er varierede og involverer motion capture-systemer som Vicon og Kinect, inertisensorer eller optiske sensorer. De deler dog en fælles begrænsning:de kan ikke levere nøjagtige kvantitative målinger, der er nødvendige for læger til at diagnosticere problemer i rygsøjlens krumning.

For at løse dette problem udviklede forskere fra University of Tabriz i Iran en ny type sensor baseret på optiske fibre. Som forklaret i deres papir offentliggjort i Optical Engineering , giver optiske fibersensorer mange fordele, herunder lav pris, høj følsomhed og lille størrelse. Disse sensorer er allerede blevet brugt til at overvåge krumningen af ​​strukturer og robotarme. Men at måle både størrelsen og retningen af ​​rygsøjlens krumning udgør en yderligere udfordring – en udfordring, som holdet overvandt gennem innovativt design.

I den foreslåede optiske fibersensor er der tre fiberkerner, som inputlyset bevæger sig igennem. Funktionsprincippet for sensoren er baseret på konceptet om det, der kaldes "bølgelængdemodulation". Kort sagt, når en optisk fiber bøjes, ændres strukturen af ​​fiberkernens materiale, hvilket ændrer dens tæthed. Til gengæld modificerer dette kernens brydningsindeks, og bølgelængden af ​​udgangslyset ændres afhængigt af, hvor meget fiberen blev bøjet. Ved at konstruere kalibreringstabeller kan størrelsen af ​​rygsøjlens krumning estimeres baseret på forskellen mellem bølgelængderne af input- og outputlys i en enkelt kerne.

Men hvordan måler denne sensor krumningsretningen såvel som størrelsen? Svaret ligger i den relative placering af de tre fiberkerner, som skaber en asymmetrisk geometri. Med andre ord bøjes hver af fiberkernerne lidt forskelligt, når sensoren placeres mod patientens rygsøjle. Ved at sammenligne bølgelængderne af udgangslyset fra de to yderste fiberkerner er det muligt at beregne retningskomponenten af ​​bøjningen.

"Generelt er en af ​​udfordringerne ved at designe en sensor sensorens outputforhold med den værdi, den registrerer. En uønsket situation ville være den ikke-lineære relation mellem det målte emne og output. Den bedst mulige tilstand er den lineære form," sagde Somayeh Makouei, en af ​​avisens forfattere. "En væsentlig fordel ved den foreslåede fiber er, at den viser lineære resultater i outputtet. Og også, længden af ​​kurven, der måles, er en af ​​begrænsningerne i kurvaturmålingssensorerne, især i optiske. Den foreslåede fiber har ikke eventuelle begrænsninger på længden af ​​den kurve, der skal måles."

Sammenlignet med en anden optisk fibersensor med tre kerner rapporteret i en tidligere undersøgelse, tilbød den nye sensor en væsentligt højere følsomhed på omkring 1,22 picometer pr. meter i alle rotationsretninger. Desuden var den nye sensor i sig selv mere modstandsdygtig over for strømudsving i lyskilden - et problem, der alvorligt hindrer intensitetsmodulationsbaserede sensorer.

Samlet set kan den nye optiske fibersensor bane vejen for en ny metode til at måle krumningen af ​​de forskellige sektioner af rygsøjlen. Vi kan håbe på yderligere forskning og designforbedringer, der fører til et praktisk og pålideligt værktøj, som læger kan bruge. + Udforsk yderligere

Polymerbaseret optisk fiber til visualisering af materialespænding